Dieselmotor-Management im Überblick: einschließlich Abgastechnik

209 Pages·2010·4.097 MB·German

by  Dr.-Ing. Herbert Schumacher (auth.), Konrad Reif (eds.)

Konrad Reif (Hrsg.)
Dieselmotor-Management im Überblick
Konrad Reif (Hrsg.)
Dieselmotor-
Management
im Überblick
einschließlich Abgastechnik
Mit 172 Abbildungen
Bosch Fachinformation Automobil
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Der Inhalt dieses Buches erschien bisher unter den Titeln:
Dieselmotor-Management im Überblick
Abgastechnik für Dieselmotoren
herausgegeben von der Robert Bosch GmbH, Plochingen
1. Auflage 2010
Alle Rechte vorbehalten
© Vieweg+Teubner Verlag|Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010
Lektorat: Christian Kannenberg | Elisabeth Lange
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sondere für Vervielfältigungen, Über setzun gen, Mikro verfil mungen und die
Ein speiche rung und Ver ar beitung in elek tro nischen Syste men.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem
Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche
Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten
wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg
Technische Redaktion: Gabriele McLemore
Satz: FROMM MediaDesign, Selters/Ts.
Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-1313-8
Vorwort Ӏ 5
Vorwort
Die Technik im Kraftfahrzeug hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig weiterentwickelt. Der
Einzelne, der beruflich mit dem Thema beschäftigt ist, muss immer mehr tun, um mit diesen Neu-
erungen Schritt zu halten. Mittlerweile spielen viele neue Themen der Wissenschaft und Technik
in Kraftfahrzeugen eine große Rolle. Dies sind nicht nur neue Themen aus der klassischen Fahr-
zeug- und Motorentechnik, sondern auch aus der Elektronik und aus der Informationstechnik.
Diese Themen sind zwar für sich in unterschiedlichen Publikationen gedruckt oder im Internet
dokumentiert, also prinzipiell für jeden verfügbar; jedoch ist für jemanden, der sich neu in ein
Thema einarbeiten will, die Fülle der Literatur häufig weder überblickbar noch in der dafür verfüg-
baren Zeit lesbar. Aufgrund der verschiedenen beruflichen Tätigkeiten in der Automobil- und
Zulieferindustrie sind zudem unterschiedlich tiefe Ausführungen gefragt.
Gerade heute ist es so wichtig wie früher: Wer die Entwicklung mit gestalten will, muss sich
mit den grundlegenden wichtigen Themen gut auskennen. Hierbei sind nicht nur die Hochschulen
mit den Studienangeboten und die Arbeitgeber mit Weiterbildungsmaßnahmen in der Pflicht. Der
rasche Technologiewechsel zwingt zum lebenslangen Lernen, auch in Form des Selbststudiums.
Hier setzt die Schriftenreihe „Bosch Fachinformation Automobil“ an. Sie bietet eine umfassen-
de und einheitliche Darstellung wichtiger Themen aus der Kraftfahrzeugtechnik in kompakter,
verständlicher und praxisrelevanter Form. Dies ist dadurch möglich, dass die Inhalte von Fachleu-
ten verfasst wurden, die in den Entwicklungsabteilungen von Bosch an genau den dargestellten
Themen arbeiten. Die Schriftenreihe ist so gestaltet, dass sich auch ein Leser zurechtfindet, für
den das Thema neu ist. Die Kapitel sind in einer Zeit lesbar, die auch ein sehr beschäftigter Ar-
beitnehmer dafür aufbringen kann.
Die Basis der Reihe sind die fünf bewährten, gebundenen Fachbücher. Sie ermöglichen einen
umfassenden Einblick in das jeweilige Themengebiet. Anwendungsbezogene Darstellungen, an-
schauliche und aufwendig gestaltete Bilder ermöglichen den leichten Einstieg. Für den Bedarf
an inhaltlich enger zugeschnittenen Themenbereichen bietet die siebenbändige broschierte Rei-
he das richtige Angebot. Mit deutlich reduziertem Umfang, aber gleicher detaillierter Darstellung,
ist das Hintergrundwissen zu konkreten Aufgabenstellungen professionell erklärt. Die schnelle
Bereitstellung zielgerichteter Information zu thematisch abgegrenzten Wissensgebieten sind das
Kennzeichen der 92 Einzelkapitel, die als pdf-Download zur sofortigen Nutzung bereitstehen.
Eine individuelle Auswahl ermöglicht die Zusammenstellung nach eigenem Bedarf.
Im Laufe der Neukonzeption dieser Schriftenreihe ist es nicht möglich, alle Produkte gleichzei-
tig inhaltlich neu zu bearbeiten. Dies geschieht demnach Zug um Zug.
Der vorliegende Band „Dieselmotor-Management im Überblick“ behandelt Einsatzgebiete und
Grundlagen des Dieselmotors, Kraftstoffe, Füllungssteuerung, Einspritzsysteme einschließlich
zugehörige Pumpen und Düsen, Regelung, Starthilfesysteme, innermotorische Emissionsminde-
rung, Abgasnachbehandlung, Abgasgesetzgebung, Abgasmesstechnik und Diagnose. Er setzt
sich aus den früheren gelben Heften „Dieselmotor-Management im Überblick“ und „Abgastechnik
für Dieselmotoren“ in der bisherigen Form zusammen. Eine inhaltliche Neubearbeitung wird fol-
gen. Neu erstellt wurde das Stichwortverzeichnis, um die Inhalte dieses Buchs rasch zu erschlie-
ßen.
Friedrichshafen, im Juni 2010 Konrad Reif
6 Ӏ Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Einsatzgebiete der Dieselmotoren
Eigenschaftskriterien ..................................................................................................................................... 10
Anwendungen ................................................................................................................................................. 10
Motorkenndaten ............................................................................................................................................. 13
Grundlagen des Dieselmotors
Arbeitsweise .................................................................................................................................................... 14
Drehmoment und Leistung ........................................................................................................................... 17
Motorwirkungsgrad ........................................................................................................................................ 18
Betriebszustände ........................................................................................................................................... 21
Betriebsbedingungen ................................................................................................................................... 25
Einspritzsystem ............................................................................................................................................... 27
Brennräume ..................................................................................................................................................... 28
Kraftstoffe
Dieselkraftstoff ................................................................................................................................................ 32
Alternative Kraftstoffe .................................................................................................................................... 38
Systeme zur Füllungssteuerung
Übersicht .......................................................................................................................................................... 40
Aufladung ......................................................................................................................................................... 41
Drallklappen .................................................................................................................................................... 50
Motoransaugluftfilter ..................................................................................................................................... 51
Grundlagen der Dieseleinspritzung
Gemischverteilung ......................................................................................................................................... 54
Parameter der Einspritzung ......................................................................................................................... 56
Düsen- und Düsenhalter-Ausführung ........................................................................................................ 65
Diesel-Einspritzsysteme im Überblick
Bauarten ........................................................................................................................................................... 66
Systemübersicht der Reiheneinspritzpumpen
Anwendungsgebiete ..................................................................................................................................... 72
Ausführungen .................................................................................................................................................. 72
Aufbau .............................................................................................................................................................. 73
Regelung .......................................................................................................................................................... 73
Systemübersicht der Verteilereinspritzpumpen
Anwendungsgebiete ..................................................................................................................................... 76
Ausführungen .................................................................................................................................................. 76
Kantengesteuerte Systeme ......................................................................................................................... 78
Magnetventilgesteuerte Systeme ............................................................................................................... 80
Inhaltsverzeichnis Ӏ 7
Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme
Einzeleinspritzpumpen PF ............................................................................................................................ 84
Unit Injector System UIS und Unit Pump System UPS ......................................................................... 86
Systembild UIS für Pkw ................................................................................................................................ 88
Systembild UIS/UPS für Nkw ..................................................................................................................... 90
Systemübersicht Common Rail
Anwendungsgebiete ..................................................................................................................................... 92
Aufbau .............................................................................................................................................................. 93
Arbeitsweise .................................................................................................................................................... 94
Common Rail System für Pkw ..................................................................................................................... 98
Common Rail System für Nkw .................................................................................................................... 103
Elektronische Dieselregelung EDC
Systemübersicht ............................................................................................................................................. 106
Datenverarbeitung ......................................................................................................................................... 108
Regelung der Einspritzung ........................................................................................................................... 110
Regelung und Ansteuerung von Aktoren .................................................................................................. 112
Ersatzfunktionen ............................................................................................................................................. 113
Starthilfesysteme
Glühsysteme ................................................................................................................................................... 114
Einspritzdüsen
Lochdüsen ....................................................................................................................................................... 120
Düsenhalter
Übersicht .......................................................................................................................................................... 124
Abgasnachbehandlung
NO-Speicherkatalysator .............................................................................................................................. 127
X
Selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden .................................................................................. 129
Partikelfilter DPF ............................................................................................................................................ 132
Diesel-Oxidationskatalysator ....................................................................................................................... 136
Innermotorische Emissionsminderung
Brennverfahren ............................................................................................................................................... 139
Weitre Einflüsse auf die Schadstoffemission ........................................................................................... 141
Entwicklung homogener Brennverfahren .................................................................................................. 143
Dieseleinspritzung .......................................................................................................................................... 144
Abgasrückführung .......................................................................................................................................... 156
Kurbelgehäuseentlüftung ............................................................................................................................. 159
8 Ӏ Inhaltsverzeichnis
Abgasemission
Übersicht .......................................................................................................................................................... 160
Hauptbestandteile ......................................................................................................................................... 160
Nebenbestandteile (Schadstoffe) .............................................................................................................. 162
Abgasgesetzgebung
Übersicht .......................................................................................................................................................... 164
CARB-Gesetzgebung (Pkw/LDT) .............................................................................................................. 166
EPA-Gesetzgebung (Pkw/LDT) .................................................................................................................. 170
EU-Gesetzgebung (Pkw/LDT) .................................................................................................................... 172
Japan-Gesetzgebung (Pkw/LDT) ............................................................................................................... 174
USA-Gesetzgebung (schwere Nkw) ......................................................................................................... 175
EU-Gesetzgebung (schwere Nkw) ............................................................................................................ 176
Japan-Gesetzgebung (schwere Nkw) ....................................................................................................... 178
USA-Testzyklen für Pkw und LDT ............................................................................................................... 179
Europäischer Testzyklus für Pkw und LDT ................................................................................................ 181
Japan-Testzyklus für Pkw und LDT .............................................................................................................. 181
Testzyklen für schwere Nkw ......................................................................................................................... 182
Abgas-Messtechnik
Abgasprüfung für die Typzulassung ........................................................................................................... 184
Abgas-Messgeräte ........................................................................................................................................ 187
Abgasmessung in der Motoren-Entwicklung ........................................................................................... 189
Abgasuntersuchung (Trübungsmessung) ................................................................................................ 191
Diagnose
Überwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose) ............................................................................. 192
On Board-Diagnostic System für Pkw und leichte Nkw ........................................................................ 195
On Board Diagnostic System für schwere Nkw ..................................................................................... 202
Abkürzungen ................................................................................................................................................... 204
Sachwortverzeichnis ..................................................................................................................................... 207
Autorenverzeichnis Ӏ 9
Autorenverzeichnis
Dieselmotor-Management im Überblick Abgastechnik für Dieselmotoren
Autoren und Mitwirkende Autoren
Dr.-Ing. Herbert Schumacher (Einsatzgebiete Dr.-Ing. Thorsten Raatz,
der Dieselmotoren); Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber
Dr.-Ing. Thorsten Raatz (Grundlagen des (Grundlagen Dieselmotor),
Dieselmotors); Dr.-Ing. Thomas Wintrich,
Dipl.-Ing. Hermann Grieshaber (Grundlagen Dr.-Ing. Michael Durst, Filterwerk Mann +
des Dieselmotors, Grundlagen der Hummel, Ludwigsburg,
Dieseleinspritzung); Dipl.-Betriebsw. Meike Keller (Füllungs-
Dr. rer. nat. Jörg Ullmann (Kraftstoffe); steuerung),
Dr.-Ing. Thomas Wintrich (Systeme zur Dipl.-Ing. Jens Olaf Stein (innermotorische
Füllungssteuerung); Emissionsminderung),
Dipl.-Betriebsw. Meike Keller (Motoransaug- Dr. rer. nat. Norbert Breuer,
filter); Priv.-Doz. Dr.-Ing. Johannes K. Schaller,
Dipl.-Ing. Jens Olaf Stein (Grundlagen der Dr. rer. nat. Thomas Hauber,
Dieseleinspritzung); Dr.-Ing. Ralf Wirth,
Henri Bruognolo (Reiheneinspritzpumpen); Dipl.-Ing. Stefan Stein (Abgasnachbehandlung),
Dipl.-Ing. (FH) Helmut Simon (Verteilereinspritz- Dr. rer. nat. Jörg Ullmann (Kraftstoffe),
pumpen); Dr.-Ing. Stefan Becher,
Dr. tech. Theodor Stipek, Dr.-Ing. Torsten Eggert (Abgasgesetzgebung),
Dipl.-Ing. Joachim Lackner (Einzelzylinder- Dipl.-Ing. Andreas Kreh,
systeme für Großmotoren); Dipl.-Ing. Bernd Hinner,
Dipl.-Ing. (HU) Carlos Alvarez-Avila, Dipl.-Ing. Rainer Pelka (Abgas-Messtechnik),
Dipl.-Ing. Roger Potschin (UIS/UPS); Dr.-Ing. Günter Driedger,
Dipl.-Ing. Felix Landhäuser (Common Rail, Dr. rer. nat. Walter Lehle,
Elektronische Dieselregelung); Dipl.-Ing. Wolfgang Schauer (Diagnose)
Dr. rer. nat. Wolfgang Dreßler (Starthilfe-
systeme);
Dipl.-Ing. Thomas Kügler (Einspritzdüsen,
Düsenhalter);
Dr. rer. nat. Norbert Breuer,
Dr. rer. nat. Thomas Hauber,
Priv.-Doz. Dr.-Ing. Johannes Schaller,
Dr. Ralf Schernewski,
Dipl.-Ing. Stefan Stein,
Dr.-Ing. Ralf Wirth (Abgasnachbehandlung)
Soweit nicht anders angegeben, handelt es sich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH, Stuttgart.
10 | Einsatzgebiete der Dieselmotoren | Eigenschaftskriterien, Anwendungen
Einsatzgebiete der D ieselmotoren
Kein anderer Verbrennungsmotor wird Eigenschaftskriterien
so vielfältig eingesetzt wie der Diesel- Folgende Merkmale und Eigenschaften
motor 1). Dies ist vor allem auf seinen sind für den Einsatz eines Dieselmotors
hohen Wirkungsgrad und der damit ver- von Bedeutung (Beispiele):
bundenen Wirtschaftlichkeit zurück- ▶ Motorleistung,
zuführen. ▶ spezifische Leistung,
▶ Betriebssicherheit,
Die wesentlichen Einsatzgebiete für ▶ Herstellungskosten,
Dieselmotoren sind: ▶ Wirtschaftlichkeit im Betrieb,
▶ Stationärmotoren, ▶ Zuverlässigkeit,
▶ Pkw und leichte Nkw, ▶ Umweltverträglichkeit,
▶ schwere Nkw, ▶ Komfort und
▶ Bau- und Landmaschinen, ▶ Gefälligkeit (z. B. Motorraumdesign).
▶ Lokomotiven und
▶ Schiffe. Je nach Anwendungsbereich ergeben sich
für die Auslegung des Dieselmotors unter-
Dieselmotoren werden als Reihenmotoren schiedlich Schwerpunkte.
und V-Motoren gebaut. Sie eignen sich
grundsätzlich sehr gut für die Aufladung, Anwendungen
da bei ihnen im Gegensatz zum Ottomotor
kein Klopfen auftritt. Stationärmotoren
Stationärmotoren (z. B. für Stromerzeuger)
werden oft mit einer festen Drehzahl
betrieben. Motor und Einspritzsystem
1) Benannt nach Rudolf Diesel (1858 bis 1913), der
können somit optimal auf diese Drehzahl
1892 sein erstes Patent auf „Neue rationelle Wärmekraft-
abgestimmt werden. Ein Drehzahlregler
maschinen“ anmeldete. Es erforderte jedoch noch viel
Entwicklungsarbeit, bis 1897 der erste Dieselmotor bei verändert die Einspritzmenge entspre-
MAN in Augsburg lief. chend der geforderten Last. Für diese An-
1 Pkw-Dieselmotor mit Unit Injector Einspritzsystem (Beispiel)
kW
110
90
1
P
2 g
un 70
st
3 6 Lei
50
4 30
Bild 1 M Nm
1 Ventiltrieb ent 320
m
2 Injektor o
3 Kunodlb ePnle mueitl Bolzen 5 Drehm240 03D
4 Ladeluftkühler 1000 2000 3000 4000 min-1 06
M
5 Kühlmittelpumpe Drehzahl n M
U
6 Zylinder
Einsatzgebiete der Dieselmotoren | Anwendungen | 11
wendungen werden weiterhin auch Ein- Neue Pkw-Dieselmotoren werden in Euro-
spritzanlagen mit mechanischer Regelung pa nur noch mit Direkteinspritzung (DI,
eingesetzt. Direct Injection engine) entwickelt, da der
Kraftstoffverbrauch bei DI-Motoren ca.
Auch Pkw- und Nkw-Motoren können als 15…20 % geringer ist als bei Kammer-
Stationärmotoren eingesetzt werden. Die motoren. Diese heute fast ausschließlich
Regelung des Motors muss jedoch ggf. den mit einem Abgas turbo lader ausgerüsteten
veränderten Bedingungen angepasst sein. Motoren bieten deutlich höhere Drehmo-
mente als vergleichbare Ottomotoren. Das
Pkw und leichte Nkw im Fahrzeug maximal mögliche Drehmo-
Besonders von Pkw-Motoren (Bild 1) wird ment wird meist von den zur Verfügung
ein hohes Maß an Durchzugskraft und stehenden Getrieben und nicht vom Motor
Laufruhe erwartet. Auf diesem Gebiet bestimmt.
wurden durch weiterentwickelte Motoren
und neue Einspritzsysteme mit Elektro- Die immer schärfer werdenden Abgas-
nischer Dieselregelung (Electronic Diesel grenzwerte und die gestiegenen Leistungs-
Control, EDC) große Fortschritte erzielt. anforderungen erfordern Einspritzsys-
Das Leis tungs- und Drehmoment verhalten teme mit sehr hohen Einspritzdrücken.
konnte auf diese Weise seit Beginn der Die steigenden Anforderungen an das Ab-
1990er- Jahre wesentlich verbessert gasverhalten bilden auch zukünftig eine
werden. Deshalb hat der „Diesel“ unter Herausforderung für die Entwickler von
anderem auch den Einzug in die Pkw- Dieselmotoren. Deshalb wird es in Zukunft
Oberklasse geschafft. besonders auf dem Gebiet der Abgasnach-
In Pkw werden Schnellläufer mit Dreh- behandlung zu weiteren Veränderungen
zahlen bis 5500 min–1 eingesetzt. Das Spek- kommen.
trum reicht vom 10-Zylinder mit 5000 cm3
in Limousinen bis zum 3-Zylinder 800 cm3-
Motor in Kleinwagen.
2 Nkw-Dieselmotor mit Common Rail System (Beispiel)
kW
160
1 2
3 Png 120
u
st
ei 80
L
40
0
M Nm
4 nt 700
e
m
o600
m
Dreh540000 04D B1 ild G2enerator
1000 1500 2000 2500min-1 6
0 2 Injektor
Drehzahl n MM 3 Rail
U
4 Hochdruckpumpe